隧道三維信息化監測技術與工程應用

李長青

(北京工業職業技術學院，北京100042)

一、引 言

隧道工程設計的基本特點是“地質環境復雜，基礎信息缺乏”，其施工存在著很大的不確定性和高風險性。隧道工程圍巖地質情況沿隧道軸線方向變化較大，不可能在隧道施工前將地質情況全部搞清楚，即使可能也是不科學和不經濟的。隧道工程的特殊性決定了其在勘察、設計和施工等諸多環節中允許有交叉、反復，在此基礎上形成了采取與隧道施工過程中的地質條件、力學動態等不斷變化相適應的“動態施工”［1-4］。隧道三維信息化監測技術具有解決隧道施工不確定性問題的能力，能夠降低施工風險，對重大坍塌和破壞事件能夠預警預報，從而實現施工的安全和經濟的目標，對隧道信息化監測技術研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

“信息化方法”起源于20世紀40年代后期，隨著當時“現代”土力學理論的進展，發展了一種集成預測、監控、評價和修正的設計方法。20世紀60年代起，奧地利學者和工程師總結出以盡可能不要惡化圍巖中的應力分布為前提，在施工過程中密切量測圍巖變形和應力等，通過調整支護措施來控制變形，從而達到最大限度地發揮圍巖本身自承能力的新奧法隧道施工技術［1-5］。

隨著科技的不斷進步，三維測量技術已逐步應用到測繪、醫學、工業等領域中。國外的研究早于國內，技術也相對成熟，但是對數據處理方面的研究內容比較少，研究的重點正逐步集中到對數據處理方面，即對掃描的點云數據進行配準、去噪、精簡、多邊形格網建立、三維模型重建等。國內的研究較晚，2010年李健等對地鐵隧道的點云數據實施壓縮，然后用基于點云法向量差異的點云分割法對其精簡、建模;2012年李濱等將三維激光掃描技術引入到災害檢測中［3-7］;鄧洪亮等研究了三維激光掃描技術在隧道監測中的應用問題，先后建立了隧道監測坐標系，開發了隧道三維點云數據信息化管理系統，取得了較好的工程應用效果。

二、隧道監測三維信息化技術

隧道工程作為一個空間實體，采用三維激光掃描技術可以主動、非接觸、快速地獲取實時、動態、全方位和高精度的海量空間點云數據，通過點云拼接和濾波分析等，得到隧道空間的三維實體模型，進行數字化處理和隧道預警預報，指導隧道信息化施工和設計。隧道三維激光掃描監測信息化系統的開發目的是快速、準確地傳遞隧道施工信息和監測信息，根據隧道監控量測的變形信息、掌子面開挖信息和既有的地質信息，指導隧道的施工，合理地確定二襯施做時間，及時地調整隧道地護方案，保證隧道的施工安全和工后安全。

鄧洪亮等研發的隧道監控量測信息化管理系統具有掌子面及隧道展開面瀏覽、實時信息瀏覽與查詢、任意斷面圖生成與數據查詢、任意點變形對比與查詢、標準斷面對比與查詢、任意時間段斷面對比圖生成與對比數據查詢、導出三維CAD隧道模型圖和侵限分析圖等功能，有網絡支持條件下可實現隧道全斷面實時監控等功能，并可采用數字挖掘技術分析關鍵控制斷面和關鍵控制點變形隨開挖時間及距掌子面距離的變化曲線，生成鐵路監控量測規范規定的日報表、周報表和月報表，分析確定控制性斷面停測的時間和二襯施做時間，根據關鍵控制斷面和關鍵控制點進行隧道三級預警預報和三級風險等級管理。

三、工程實例與應用分析

1．工程概況

寶峰隧道所在區域地層構造為青藏高原東南緣，是川滇菱形塊體、華南塊體和臨滄-思茅塊體的結合部位，全隧道7377 m均為富水軟弱Ⅴ級圍巖，巖性以砂巖、板巖、灰巖等地層不整合接觸為主，地表有水庫、鐵路、高速公路等特殊構筑物，施工控制難度極高，極易發生突水突泥事故。在施工過程中雖然采用了短臺階七步法，并采取了多種有效的探測和支護與加固措施，但仍多次發生突水突泥事故及隧道周邊膨脹變形等地質災害。為研究軟巖隧道的變形規律，預測隧道施工風險，為隧道設計和施工提供合理的參數，自2013年開始采用三維激光掃描測量技術對該隧道進行了長期的監測和研究工作，共完成隧道監測里程約1600 m。

2．模型對比分析

寶峰隧道三號斜井工程地質條件十分復雜，地表地形東高西低，坡度35°左右，隧道的拱頂沉降量每天可達5～6 cm，地下水十分豐富，突水突泥常有發生。采用隧道施工三維掃描信息化監測系統可以進行任意時間段內的隧道開挖過程與模型對比分析，準確掌握隧道的變形規律和斷面侵限情況。現就寶峰隧道三號斜井大里程不同時間隧道變形分析模型對比情況(如圖1所示)和斷面侵限情況(如圖2所示)進行分析。

由圖1可知，三維激光掃描測量技術可以實時地采集隧道開挖后掌子面和掌子面附近隧道壁的所有變形信息，隨著掌子面向前推進，監測數據實時跟進，不遺漏掌子面附近的變形信息，數據真實可靠。監測過程中無須在指定的斷面布設監測標靶等測量裝置，不僅速度快，而且精度高，信息量遠遠超過傳統的測量方法，同時根據測量的點云數據可以快速生成各種分析對比模型，幫助進行隧道變形對比分析和研究。

由圖1不同時間隧道對比分析模型可以看出，寶峰隧道三號斜井大里程在隧道開挖初期變形量較小，變形基本上是對稱分布的，隨著開挖后時間的增加，變形量逐漸增加，并出現明顯的不對稱變形，在隧道左側拱腰凈空收斂變形大，右側拱腰凈空收斂變形小，變形量相差2～3倍，并且在寶峰隧道所有工點都存在同樣的變形規律。

圖1 寶峰隧道三號斜井大里程不同時間隧道變形分析模型對比圖

圖2為隧道斷面侵限對比圖，由圖中可知，隧道開挖后很快就出現不對稱變形，左側拱腰多處侵限，而右側基本收斂變量較小，變形量一般相差2～3倍。

圖2 寶峰隧道三號斜井大里程隧道斷面侵限對比分析圖

3．成果統計分析

隧道監控量測信息化管理系統具有隧道監測結果統計分析功能，可以隨時得到拱頂沉降量隨時間變化分析曲線(如圖3所示)、拱頂沉降量隨距掌子面距離變化分析曲線(如圖4所示)、凈空收斂值隨時間變化分析曲線(如圖5所示)等。

圖3 K14+215斷面拱頂累計沉降量隨監測時間變化曲線

圖4 K14+215斷面拱頂累計沉降量隨距掌子面距離變化曲線

圖5 K14+300斷面凈空收斂隨時間變化曲線

由圖3可知，寶峰隧道在掌子面開挖后拱頂沉降量隨時間變化分析曲線由快到慢的變化過程，由于軟巖隧道特點，在掌子面開挖后前5 d，拱頂沉降速率相對較大，圍巖產生彈-塑性變形，累計沉降量達170 mm左右，隨著時間推移，圍巖的拱效應逐漸形成，15 d后變形逐漸趨于穩定，累計沉降量達260 mm左右。

由圖4可知，掌子面開挖后隧道監測在下一循環前完成，及時地監測到了掌子面附近的隧道變形，監測點與掌子面的距離(監測信息化管理系統自動計算完成)不到1 m，拱頂沉降量隨著與掌子面的距離增加而增加，當距離25 m左右時(仰拱封閉后)變形量趨附于穩定。

由圖5可知，寶峰隧道拱頂沉降量大于凈空收斂，一般拱頂沉降量最大值為凈空收斂最大值的2～3倍左右，凈空收斂表現為不對稱變形，隨著與掌子面距離的增加不對稱變形越明顯，隧道左側凈空變化最大值(AB)一般為右側的凈空變化最大值(AC)的2～3倍，早期開挖部分收斂(BC)變形大，后期開挖部分收斂(DE)變形小。

根據寶峰隧道地質調查結果，在三號斜井小里程K14+300－K14+215地面高程2078 m，隧道拱頂高程1918 m，隧道埋深160 m，地表地形東高西低，坡度35°左右。當隧道開挖后，圍巖的初始應力改變，重新產生新的平衡，在這一過程中由于隧道左側地表高程大，隧道上方的豎向應力大，地層為軟巖，穩定性極差，因此對隧道壁產生的側向應力較大，致使隧道左側的變形大，相反在隧道右側產生的變形較小。

隧道的不對稱變形與隧道埋深和圍巖的工程地質條件有密切關系，埋深越淺，自重應力對隧道的影響越大。圍巖條件越差時，巖石強度越低，自重應力對隧道產生的影響越大，隧道壁所受的側向壓力越大。在支護結構不足以抵抗側向圍巖所給予的被動土壓力的條件下，圍巖產生變形，隧道產生收斂，圍巖壓力較大的一側將產生較大的變形和收斂，在施工過程中應密切重視，并采取相應的措施。

4．監測精度對比分析

為衡量檢查三維激光掃描儀的測量精度，分別采用Leica TPS1200全站儀和掃描儀對隧道同一隧道斷面的大小和形狀進行測量和對比，對比結果如圖6所示。

圖6 斷面侵限監測精度對比

由圖6可知，三維激光掃描儀在隧道同一斷面上測量的點數達5000個左右，全站儀在隧道同一斷面上測量的點數只有20個左右，三維激光掃描儀的采樣點數遠遠超過全站儀，得到的斷面線更加真實可靠。從測量點精度來看，無論采用全站儀測量還是采用激光掃描儀測量，斷面測量數據精度均達到鐵路監測規程規定的要求，兩種方法的測量結果吻合得非常好，點位相對誤差均小于2 mm，高程相對誤差均小于2 mm，附寶峰隧道三號斜井K14+385斷面偏差對比見表1。

表1 寶峰隧道三號斜井K14+385斷面偏差對比

四、結論與建議

傳統的測量方法是采用全站儀或收斂計等測量工具進行單點式數據釆集，雖然監測精度較高，但需在被測處放置特定裝置，測量工作量大、成本高、效率低，而且在地質條件復雜地區測量難度較大，不能確保人員的安全。攝影測量方法獲取的是區域的影像數據，數據量雖然大，但其精度較低。三維激光掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，數據采集時在被測處不用放置特定的測量裝置，實現了點對面的數據采集模式，在注重測量速度和操作簡便的同時，保證了測量的綜合精度。

三維激光掃描儀具有測量速度快、人力要求低、可靠性強等優點，可以對隧道所有地方進行全斷面掃描測量，實時獲取掌子面和掌子面附近的全部斷面信息。

監測資料表明，隧道在開挖施工過程中，隧道凈空收斂受地形條件、隧道埋深和圍巖工程地質條件影響較大，當地表坡度較大，工程地質條件較差時，隧道凈空將產生明顯的不對稱變形，影響隧道的施工安全。

采用隧道三維激光掃描監測技術的監測成果除滿足現行鐵路隧道監測規范所規定的全部指標外，同時可為隧道施工提供全斷面實時監測信息和斷面侵限分析圖，具有監控量測風險自動預警預報功能和報表自動生成與轉發功能，具有行業內推廣應用的價值。

［1］ 鄧洪亮，陳凱江，朱明巖，等．隧道監控量測三維激光掃描方法與應用研究［J］．測繪通報，2012(S1):123-125．

［2］ 鄧洪亮，楊玉杰，高文學，等．隧道施工監控與預警系統應用研究［J］．施工技術，2011，40(3):54-56．

［3］ DENG Hongliang，CHEN Kaijiang，DENG Qihua，et al．The Data Management System of Tunnel Monitoring［C］∥the 2012 International Conference on Computer-aided Material and Engineering(ICCME 2012)．Hongzhou:IEIT，2012．

［4］ DENG Hongliang，DENG Qihua，CHEN Kaijiang，et al．3-D Tunnel Clearance Measurement Technology and Application Based on Reverse Engineering［C］∥2012 International Conference on Smart Technologies for Materials and Communication(ICSTMC2012)．Melbourne:Research and Markets，2012．

［5］ DENG Hongliang，FU Xiaoyin．The Advanced Prediction and Emergency Management Technique on Construction of Shallow Buried Large Section Bedding Rock Unsymmetrical Loaded Tunnel［C］∥Proceedings of the Eleventh International Symposium on Structural Engineering．Beijing:［s．n．］，2010:1755-1760．

［6］ WANG Qingbo，YUAN Jingling，ZHONG Luo．The Architecture of City Tunnel Monitoring Platform［C］∥2012 2nd International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks．［S．l．］:CECNet，2012:640-642．

［7］ 畢俊，馮瑣，顧星曄，等．三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測中的應用研究［J］．測繪科學，2008，33(S2):14-16．